JP2015215980A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】バーナを有していない燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】燃料電池システム１は、燃料電池１１と、改質器１２と、燃焼器１３と、化学蓄熱器１４と、水供給部２２、２３、３２と、排気部２４と、燃料供給部２１、３１と、制御部５１と、を備える。化学蓄熱器１４は、改質器１２及び燃焼器１３との間で熱伝導可能に配置され、吸熱により脱水反応し、水和反応により発熱する化学蓄熱剤を収容する蓄熱剤収容空間を有する。水供給源３２からの化学蓄熱器１４への水Ｗ１の供給を遮断するように、水供給側切換え部２３が切換えられ、且つ、化学蓄熱器１４からの水蒸気Ｗ２の排気が停止されるように、排気側切換え部２４が切換えられることにより、蓄熱剤収容空間、排気ラインＬ８、及び水和水供給ラインＬ２２の内部の空間は、密閉空間を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池（固体酸化物型燃料電池：ＳＯＦＣ（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）等）は、水素を含有する水素含有ガスと空気とを電気化学的に反応させて、発電を行う。このような燃料電池に加え、改質器と、燃焼器とを備えた燃料電池システムが知られている。燃料電池システムにおいては、改質器は、触媒上で都市ガスなどの炭化水素系燃料と改質水としての水とを反応させて、改質ガスとしての水素含有ガスを燃料電池に供給する。燃焼器は、燃料電池から排気されるアノードオフガスを、触媒上で燃焼処理する。

改質器においては、触媒上で水素と空気とを反応させるため、改質器は、比較的高温に維持される必要がある。同様に、燃焼器においては、触媒上で、燃料電池から排気されたアノードオフガスを燃焼させるため、燃焼器は、比較的高温に維持される必要がある。このため、従来より、燃料電池システムの起動時（スタートアップ時）に、改質器及び燃焼器を加熱するためのバーナが、燃料電池システムには設けられている（特許文献１参照）。

特開２００６−１４７２６４号公報

上述のような従来の燃料電池システムにおいて、バーナは、比較的高価である。このためバーナを有していない燃料電池システムが要求されていた。

本発明は、バーナを有していない燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、燃料電池と、触媒上で燃料と水とを反応させて、前記燃料電池に供給される改質ガスを生成する改質器と、前記燃料電池からのオフガスを触媒上で燃焼する燃焼器と、前記改質器及び前記燃焼器との間で熱伝導可能に配置される化学蓄熱器であって、吸熱により脱水反応し、水和反応により発熱する化学蓄熱剤を収容する蓄熱剤収容空間を有する化学蓄熱器と、前記化学蓄熱器及び前記改質器へ水を供給可能な水供給部と、前記化学蓄熱器から水蒸気を排気可能な排気部と、前記改質器へ燃料を供給可能な燃料供給部と、前記水供給部による水の供給の制御を前記水供給部に対して行い、前記排気部による水蒸気の排気の制御を前記排気部に対して行い、前記燃料供給部による燃料の供給の制御を前記燃料供給部に対して行う制御部と、を備え、前記水供給部は、水供給源と、前記水供給源からの水を前記化学蓄熱器に向けて流通する水和水供給ラインと、前記水供給源からの水の前記化学蓄熱器への流通／遮断を切換え可能な水供給側切換え部とを有し、前記排気部は、前記化学蓄熱器からの水蒸気を排気する排気ラインと、前記化学蓄熱器からの水蒸気の排気／排気停止を切換え可能な排気側切換え部とを有し、前記水供給源からの前記化学蓄熱器への水の供給を遮断するように、前記水供給側切換え部が切換えられ、且つ、前記化学蓄熱器からの水蒸気の排気が停止されるように、前記排気側切換え部が切換えられることにより、前記蓄熱剤収容空間、前記排気ライン、及び前記水和水供給ラインの内部の空間は、密閉空間を構成し、前記制御部は、前記燃料電池の起動時において前記改質器へ燃料を供給するように前記燃料供給部に対して制御する前に、前記水和水供給ラインを通して前記水供給源からの水を前記化学蓄熱器に向けて流通させるように、前記水供給側切換え部に対して制御を行うと共に、前記化学蓄熱器からの水蒸気を排気可能な状態とする水供給制御と、前記水和水供給ラインを通して前記水供給源からの水が前記化学蓄熱器に向けて流通せず遮断されるように、前記水供給側切換え部に対して制御を行うと共に、前記化学蓄熱器からの水蒸気が排気停止される状態となるようにして、前記密閉空間を形成する水和反応制御と、前記改質器の前記触媒において燃料と水とが反応可能な温度になったことを検出し、且つ、前記燃焼器の前記触媒においてオフガスを触媒上で燃焼可能な温度になったことを検出する温度検出制御と、前記温度検出制御による温度の検出が行われた後に、前記水供給源からの前記化学蓄熱器への水の供給を遮断するように、前記水供給側切換え部に対して制御を行うと共に、前記改質器へ水を供給するように、前記水供給部に対して制御を行い、前記改質器へ燃料を供給するように、前記燃料供給部に対して制御を行う水燃料供給制御と、前記水燃料供給制御の後に、前記水供給源からの前記化学蓄熱器への水の供給を遮断するように、前記水供給側切換え部に対して制御を行うと共に、前記化学蓄熱器から水蒸気を排気させる排気制御と、を行う燃料電池システムに関する。

また、前記排気ラインの内部の温度を検出可能な温度検出部を有し、前記制御部は、前記温度検出部によって検出された温度に基づいて前記温度検出制御を行うことが好ましい。

また、前記排気ラインの内部の圧力を検出可能な圧力検出部を有し、前記制御部は、前記圧力検出部によって検出された圧力に基づいて前記温度検出制御を行うことが好ましい。

また前記水供給源から水を前記化学蓄熱器へ供給するように、前記水供給側切換え部に対して制御を行った後に所定時間経過したことを検出可能なタイマーを有し、前記制御部は、前記タイマーによって検出された時間に基づいて前記温度検出制御を行うことが好ましい。

また、吸熱により脱水反応する化学蓄熱剤は、水酸化カルシウムであり、水和反応により発熱する化学蓄熱剤は、酸化カルシウムであることが好ましい。

本発明によれば、バーナを有していない燃料電池システムを提供することができる。

本発明の第１実施形態による燃料電池システム１を示す概略図である。 本発明の第１実施形態による燃料電池システム１において、水供給制御が行われている様子を示す概略図である。 本発明の第１実施形態による燃料電池システム１において、水和反応制御が行われている様子を示す概略図である。 本発明の第１実施形態による燃料電池システム１において、水燃料供給制御が行われている様子を示す概略図である。 本発明の第１実施形態による燃料電池システム１において、化学蓄熱剤の脱水反応が行われている状態を示す概略図である。 本発明の第１実施形態による燃料電池システム１の制御部５１による制御を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態による燃料電池システム１Ａを示す概略図である。

以下、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１を示す概略図である。

図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池１１と、改質器１２と、燃焼器１３と、化学蓄熱器１４と、混合器１５と、排気側切換え部としての流量調整部２４と、燃料供給部としての流量調整部２１及び燃料ガス供給部３１と、水供給部としての流量調整部２２、２３、及び水貯留部３２と、温度センサ４１と、圧力センサ４２と、制御装置５０とを備える。

また、燃料電池システム１は、燃料ガス供給ラインＬ１と、水供給ラインＬ２と、改質ガス供給ラインＬ３と、空気供給ラインＬ４と、アノードオフガスラインＬ５と、カソードオフガスラインＬ６と、オフガス排気ラインＬ７と、排気ラインとしての蒸気排気ラインＬ８と、を備える。なお、「ライン」とは、流路、経路、管路等の総称である。

［ラインの説明］
燃料ガス供給ラインＬ１においては、燃料ガス供給ラインＬ１の一端部は、都市ガス等の燃料ガス（燃料）Ｇ１を供給可能な燃料ガス供給部３１に接続され、燃料ガス供給ラインＬ１の他端部は改質器１２に接続されている。燃料ガス供給ラインＬ１の途中には、燃料ガス供給ラインＬ１の一端部側から他端部側に向かって、流量調整部２１と混合器１５とがこの順で接続されている。燃料ガス供給ラインＬ１には、改質器１２に向けて燃料ガスＧ１が流通する。

水供給ラインＬ２の一端部は、ポンプ（図示せず）を有する水供給源としての水貯留部３２に接続されている。水供給ラインＬ２は、その途中から改質器側水供給ラインＬ２１と、水和水供給ラインＬ２２とに分岐している。改質器側水供給ラインＬ２１は混合器１５に接続され、水和水供給ラインＬ２２は、化学蓄熱器１４に接続されている。改質器側水供給ラインＬ２１、水和水供給ラインＬ２２の途中には、ぞれぞれ、流量調整部２２、２３が接続されている。水供給ラインＬ２及び改質器側水供給ラインＬ２１には、改質器１２に向けて水貯留部３２からの水Ｗ１が流通する。また、水供給ラインＬ２及び水和水供給ラインＬ２２には、化学蓄熱器１４に向けて水貯留部３２からの水Ｗ１が流通する。

改質ガス供給ラインＬ３においては、改質ガス供給ラインＬ３の一端部は改質器１２に接続され、改質ガス供給ラインＬ３の他端部は燃料電池１１のアノード（燃料極）に接続されている。改質器１２において生成される水素を含む改質ガスＧ２は、改質ガス供給ラインＬ３を流通して、燃料電池１１に供給され、発電に用いられる。

空気供給ラインＬ４においては、空気供給ラインＬ４の一端部は、酸素を含む空気Ａ１を燃料電池１１に供給するためのブロワ（図示せず）及びフィルタ（図示せず）を有する空気供給部３３に接続されている。空気供給ラインＬ４の他端部は燃料電池１１のカソード（空気極）に接続されている。空気Ａ１は、ブロワ（図示せず）からフィルタ（図示せず）を通過し、空気供給ラインＬ４を流通して、燃料電池１１に供給される。

アノードオフガスラインＬ５においては、アノードオフガスラインＬ５の一端部は、燃料電池１１のアノード（燃料極）に接続され、アノードオフガスラインＬ５の他端部は、燃焼器１３に接続されている。アノードオフガスＧ３は、アノードオフガスラインＬ５を流通して、燃焼器１３に供給される。カソードオフガスラインＬ６においては、カソードオフガスラインＬ６の一端部は、燃料電池１１のカソード（空気極）に接続され、カソードオフガスラインＬ６の他端部は、燃焼器１３に接続されている。カソードオフガスＧ４は、カソードオフガスラインＬ６を流通して、燃焼器１３に供給される。

オフガス排気ラインＬ７においては、オフガス排気ラインＬ７の一端部は、燃焼器１３に接続され、オフガス排気ラインＬ７の他端部は、屋外に開放している。燃焼器１３によって燃焼された燃焼排ガスＧ５は、オフガス排気ラインＬ７を流通して屋外に排出される。

蒸気排気ラインＬ８においては、蒸気排気ラインＬ８の一端部は、化学蓄熱器１４に接続され、蒸気排気ラインＬ８の他端部は、屋外に開放している。蒸気排気ラインＬ８の途中には、蒸気排気ラインＬ８の一端部側から他端部側に向かって、温度センサ４１と、圧力センサ４２と、流量調整部２４とがこの順で接続されている。蒸気排気ラインＬ８には、化学蓄熱器１４からの水蒸気Ｗ２が流通する。蒸気排気ラインＬ８及び流量調整部２４は、化学蓄熱器１４から水蒸気Ｗ２を排気可能な排気部を構成する。

［各装置の説明］
燃料電池１１としては、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）が用いられる。燃料電池１１は、燃料電池スタック（図示せず）を有している。燃料電池スタックにおいては、複数の発電セル（図示せず）とセパレータ（図示せず）とが交互に積層されている。

発電セル（図示せず）は、アノード（燃料極）と、カソード（空気極）と、アノードとカソードとの間に設けられた電解質層と、を有する。アノードは、ニッケル等から形成され、還元性ガスにより還元雰囲気に保たれている。燃料電池１１は、改質器１２から改質ガス供給ラインＬ３を介してアノードに供給される改質ガスＧ２と、空気供給ラインＬ４からカソードに供給される空気Ａ１中の酸素とを反応させることにより、発電を行なうことができる。燃料電池１１による発電時の温度である運転温度は、５００℃〜１０００℃程度の高温である。燃料電池１１によって発電された電気は、パワーコンディショナ（図示せず）に送られ、ＡＣ電圧に変換される。燃料電池１１は、アノードからのオフガスであるアノードオフガスＧ３と、カソードからのオフガスであるカソードオフガスＧ４とを排気する。燃料電池１１は、図示せぬ断熱材により形成された図示せぬ断熱空間内に配置されている。

改質器１２は、燃料ガス供給ラインＬ１から供給された燃料ガスＧ１及び水供給ラインＬ２（改質器側水供給ラインＬ２１）から供給された水（改質水）Ｗ１に基づいて、ニッケル系の触媒上で、水素を含む改質ガスＧ２を生成する。この際、触媒は、５００℃〜８００℃程度にまで加熱されることにより、水素を含む改質ガスＧ２を生成する。改質器１２によって生成された改質ガスＧ２は、改質ガス供給ラインＬ３を介して燃料電池１１へ供給される。改質器１２は、図示せぬ断熱材により形成された図示せぬ断熱空間内に配置されている。

燃焼器１３は、燃料電池１１から排気されるアノードオフガスＧ３及びカソードオフガスＧ４を、白金（Ｐｔ）等の触媒上で燃焼処理する。この際、触媒は、５００℃〜８００℃程度にまで加熱されることにより、アノードガスとしての水素を含むアノードオフガスＧ３及び酸素を含むカソードオフガスＧ４を燃焼する。燃焼器１３により燃焼されたアノードオフガスＧ３及びカソードオフガスＧ４は、燃焼器１３の下流側に接続されたオフガス排気ラインＬ７を通じて、燃焼排ガスＧ５として排出される。燃焼器１３は、図示せぬ断熱材により形成された図示せぬ断熱空間内に配置されている。

化学蓄熱器１４は、収容容器（図示せず）と化学蓄熱剤（図示せず）とを有している。化学蓄熱剤は、吸熱により脱水反応するか又は水和反応により発熱する性質を有する化学物質である。化学蓄熱剤は、燃焼器１３からの熱供給により吸熱をして脱水反応を生じる。また、化学蓄熱剤は、水貯留部３２から水和水供給ラインＬ２２を介して供給された水Ｗ１により水和反応を生じる。化学蓄熱器１４は、図示せぬ断熱材により形成された図示せぬ断熱空間内に配置されている。

化学蓄熱剤の例としては、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、酸化カルシウム及び酸化マグネシウム等を挙げることができる。これらの化学蓄熱剤は、２種以上のものを適宜に併用することもできる。化学蓄熱剤として、例えば、本実施形態では、水酸化カルシウムが用いられる。水酸化カルシウムは、燃焼器１３からの熱供給による脱水反応により脱水され、酸化カルシウムを生成する。その酸化カルシウムは、水貯留部３２から水和水供給ラインＬ２２を介して供給された水Ｗ１により水和反応を生じて、水酸化カルシウムを生成する。

収容容器（図示せず）は、化学蓄熱剤を収容する金属性の容器であり、内部に蓄熱剤収容空間（図示せず）を有している。収容容器は、改質器１２及び燃焼器１３に隣接して配置されている。従って、化学蓄熱器１４の収容容器（図示せず）は、改質器１２及び燃焼器１３との間で熱伝導可能に配置されている。

混合器１５は、改質器側水供給ラインＬ２１を流通した水（改質水）Ｗ１を気化させて水蒸気とし、当該水蒸気を、燃料ガス供給ラインＬ１に流通する燃料と混合する。混合器１５は、図示せぬ断熱材により形成された図示せぬ断熱空間内に配置されている。

流量調整部２１は、電磁弁により構成された二方弁により構成されている。流量調整部２１は、制御装置５０に電気的に接続されている。制御装置５０による流量調整部２１に対する制御により、流量調整部２１の弁の開度を調整可能であり、これにより、燃料ガス供給ラインＬ１に流通する燃料ガスＧ１の量が調整される。また、流量調整部２１により、燃料ガス供給部３１からの燃料ガスＧ１の、改質器１２への流通／遮断を切換え可能である。流量調整部２１及び燃料ガス供給部３１は、改質器１２へ燃料を供給可能な燃料供給部を構成する。流量調整部２１は、図示せぬ断熱材により形成された図示せぬ断熱空間外に配置されている。

流量調整部２２は、電磁弁により構成された二方弁により構成されている。流量調整部２２は、制御装置５０に電気的に接続されている。制御装置５０による流量調整部２２に対する制御により、流量調整部２２の弁の開度を調整可能であり、これにより、改質器側水供給ラインＬ２１に流通する水Ｗ１の量が調整される。また、流量調整部２２により、水貯留部３２からの水Ｗ１の、改質器１２への流通／遮断を切換え可能である。流量調整部２２及び水貯留部３２は、改質器１２へ水Ｗ１を供給可能な水供給部を構成する。流量調整部２２は、図示せぬ断熱材により形成された図示せぬ断熱空間外に配置されている。

流量調整部２３は、電磁弁により構成された二方弁により構成されている。流量調整部２３は、制御装置５０に電気的に接続されている。制御装置５０による流量調整部２３に対する制御により、流量調整部２３の弁の開度を調整可能であり、これにより、水和水供給ラインＬ２２に流通する水Ｗ１の量が調整される。また、流量調整部２３により、水貯留部３２からの水Ｗ１の、化学蓄熱器１４への流通／遮断を切換え可能である。流量調整部２３及び水貯留部３２は、化学蓄熱器１４へ水Ｗ１を供給可能な水供給部を構成し、流量調整部２３は、水供給側切換え部を構成する。流量調整部２３は、図示せぬ断熱材により形成された図示せぬ断熱空間外に配置されている。

流量調整部２４は、電磁弁により構成された二方弁により構成されている。流量調整部２４は、制御装置５０に電気的に接続されている。制御装置５０による流量調整部２４に対する制御により、流量調整部２４の弁の開度を調整可能であり、これにより、蒸気排気ラインＬ８に流通する水蒸気Ｗ２の量が調整される。また、流量調整部２４により、化学蓄熱器１４からの水蒸気Ｗ２の排気／排気停止を切換え可能である。流量調整部２４は、排気側切換え部を構成する。流量調整部２４は、図示せぬ断熱材により形成された図示せぬ断熱空間外に配置されている。

水供給源としての水貯留部３２からの化学蓄熱器１４への水Ｗ１の供給を遮断するように、水供給側切換え部としての流量調整部２３の弁が閉じるように弁が切換えられ、且つ、化学蓄熱器１４からの水蒸気Ｗ２の排気が停止されるように、排気側切換え部としての流量調整部２４の弁が閉じるように弁が切換えられることにより、蓄熱剤収容空間（図示せず）、水和水供給ラインＬ２２、及び、蒸気排気ラインＬ８の内部の空間は、密閉空間を構成する。

温度検出部としての温度センサ４１は、蒸気排気ラインＬ８内の温度を計測可能に、蒸気排気ラインＬ８内に設置されている。温度センサ４１は、例えば、０℃から１０００℃までの温度を計測可能である。温度センサ４１は、制御装置５０に電気的に接続されている。温度センサ４１は、図示せぬ断熱材により形成された図示せぬ断熱空間内に配置されている。

圧力検出部としての圧力センサ４２は、蒸気排気ラインＬ８の内部の圧力を検出可能に、蒸気排気ラインＬ８内に設置されている。圧力センサ４２は、制御装置５０に電気的に接続されている。圧力センサ４２は、図示せぬ断熱材により形成された図示せぬ断熱空間外に配置されている。

制御装置５０は、水供給部による水Ｗ１の供給の制御を水供給部に対して行い、排気部による水蒸気Ｗ２の排気の制御を排気部に対して行い、燃料供給部による燃料ガスＧ１の供給の制御を燃料供給部に対して行う。即ち、制御装置５０は、流量調整部２１，２２、２３、２４を制御することを目的としたものであり、各種演算処理を行う制御部５１や各種情報を記憶する記憶部に加え、キーボードやタッチパネル等により実現される入力部及びディスプレイによる表示部を備えた汎用パーソナルコンピュータやシーケンサーである。

制御装置５０は、図１に示すように、流量調整部２１，２２、２３、２４、温度センサ４１、及び、圧力センサ４２と有線乃至無線で接続されており、各種信号を入出力することができるように構成されている。
具体的には、制御装置５０は、温度センサ４１、圧力センサ４２から温度情報、圧力情報をそれぞれ入力する。制御装置５０の制御部５１は、入力した温度情報に基づいて、即ち、温度検出部としての温度センサ４１によって検出された温度に基づいて、また、入力した圧力情報に基づいて、即ち、圧力検出部としての圧力センサ４２によって検出された圧力に基づいて、流量調整部２１，２２、２３、２４に対して命令信号を出力して、温度検出制御等の各種の制御を行う。

制御装置５０は、タイマー５２として用いられるクロックを有しており、所定の時間を計測可能である。具体的には、水供給源としての水貯留部３２から水Ｗ１を化学蓄熱器１４へ供給するように、水供給側切換え部としての流量調整部２３に対して制御を行った後に所定時間経過したことを検出可能なタイマー５２を有している。所定時間とは、例えば、後述のように、流量調整部２３に対して制御を行った後に、改質器１２及び燃焼器１３の温度が３００℃以上になるまでに要する時間である。

以下、燃料電池システム１の起動時における制御部５１による制御について、図２〜図６に基づき説明する。図２は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１において、水供給制御が行われている様子を示す概略図である。図３は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１において、水和反応制御が行われている様子を示す概略図である。図４は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１において、水燃料供給制御が行われている様子を示す概略図である。図５は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１において、化学蓄熱剤の脱水反応が行われている状態を示す概略図である。図６は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１の制御部５１による制御を示すフローチャートである。

［水供給制御処理］
燃料電池システム１の起動時（スタートアップ時）には、先ず制御部５１は、水供給制御を行う。水供給制御は、燃料電池１１の起動時において改質器１２へ燃料ガスＧ１を供給するように燃料供給部としての流量調整部２１に対して制御する前に行われる。水供給制御では、制御部５１は、水和水供給ラインＬ２２を通して、水供給源としての水貯留部３２からの水Ｗ１を化学蓄熱器１４に向けて流通させるように、水供給側切換え部としての流量調整部２３に対して制御を行うと共に、化学蓄熱器１４からの水蒸気Ｗ２を排気可能な状態とするように、排気側切換え部としての流量調整部２４に対して制御を行う。

具体的には、図２に示すように、制御部５１は、流量調整部２１及び流量調整部２２に対して、これらの弁を閉じるように、制御を行う。また、制御部５１は、流量調整部２３及び流量調整部２４に対して、これらの弁を開くように、制御を行う（図６のステップＳ１１）。これにより、水貯留部３２から水和水供給ラインＬ２２を介して水Ｗ１が化学蓄熱器１４の化学蓄熱剤へ供給される。

次に制御部５１による処理は、ステップＳ１２（図６参照）へと進み、制御部５１は、所定量の水Ｗ１が化学蓄熱器１４へ供給されたか否かの判断を行う。より具体的には、制御部５１におけるクロックによるタイマー５２により、流量調整部２３の弁が開かれてから、所定の時間が経過したか否かの判断が行われる。所定量の水Ｗ１が化学蓄熱器１４へ供給されていれば（ＹＥＳ）、制御部５１による処理は、ステップＳ１３（図６参照）へと進む。所定量の水Ｗ１が化学蓄熱器１４へ供給されていなければ（ＮＯ）、制御部５１による処理は、ステップＳ１１（図６参照）へ戻る。

［水和反応制御処理］
次に、制御部５１は、水和反応制御を行う。水和反応制御では、制御部５１は、水和水供給ラインＬ２２を通して水供給源としての水貯留部３２からの水Ｗ１が化学蓄熱器１４に向けて流通せず遮断されるように、水供給側切換え部としての流量調整部２３に対して制御を行う。これと共に、制御部５１は、化学蓄熱器１４からの水蒸気Ｗ２が排気停止される状態となるようにして、密閉空間を形成するように、排気側切換え部としての流量調整部２４に対して制御を行う。

具体的には、図３に示すように、制御部５１は、流量調整部２１及び流量調整部２２に対して、これらの弁を閉じた状態が維持されるように、制御を行う。また、制御部５１は、流量調整部２３及び流量調整部２４に対して、これらの弁を閉じるように、制御を行う（図６のステップＳ１３）。これにより、蓄熱剤収容空間（図示せず）、水和水供給ラインＬ２２、及び、蒸気排気ラインＬ８の内部の空間により、密閉空間が形成される。密閉空間内においては、水貯留部３２から化学蓄熱剤に供給された水Ｗ１により、化学蓄熱剤としての酸化カルシウムは、水和反応を生じて水酸化カルシウムを生成する。この水和反応により、熱が発生し、密閉空間を構成する蒸気排気ラインＬ８の内部の温度及び圧力は上昇する。これに伴い、化学蓄熱器１４からの熱伝導により、改質器１２及び燃焼器１３の温度も上昇する。酸化カルシウムは、水和反応を生じて水酸化カルシウムを生成するが、密閉空間内において水和反応が生じているため、炭酸カルシウムの生成に至るまでには、反応は進まずに、反応が抑えられている。そして、制御部５１の処理は、ステップＳ１４へと進む。

［温度検出制御］
次に、制御部５１は、温度検出制御を行う。温度検出制御では、制御部５１は、改質器１２の触媒において燃料ガスＧ１と水Ｗ１とが反応可能な温度になったことを検出し、且つ、燃焼器１３の触媒においてアノードオフガスＧ３及びカソードオフガスＧ４が触媒上で燃焼可能な温度になったことを検出する。

具体的には、制御部５１は、改質器１２及び燃焼器１３の温度が３００℃以上になっていることを、温度センサ４１により検出される温度と、圧力センサ４２により検出される圧力と、制御部５１のクロックによるタイマー５２とにより、間接的に検出する。より具体的には、例えば、制御部５１は、温度センサ４１により蒸気排気ラインＬ８内の温度が所定の温度である１００℃以上であれば、改質器１２及び燃焼器１３の温度が３００℃以上になっていることを検出可能である。また、制御部５１は、圧力センサ４２により蒸気排気ラインＬ８内の圧力が所定の圧力である０．１ＭＰａ以上であれば、改質器１２及び燃焼器１３の温度が３００℃以上になっていることを検出可能である。また、制御部５１は、制御部５１のクロックによるタイマー５２によって検出された時間が２０分を超えていれば、改質器１２及び燃焼器１３の温度が３００℃以上になっていることを検出可能である。

温度センサ４１により検出される温度が所定の温度であり、圧力センサ４２により検出される圧力が所定の圧力であり、タイマー５２により検出された時間が所定の時間であり、図６のステップＳ１４において、これにより改質器１２及び燃焼器１３の温度が３００℃以上になっていることを、制御部５１が検出できた場合には（ＹＥＳ）、制御部５１の処理は、ステップＳ１５へと進む。改質器１２及び燃焼器１３の温度が３００℃以上になっていることを、制御部５１が検出できない場合には（ＮＯ）、制御部５１の処理は、ステップＳ１３へと戻る。

［水燃料供給制御処理］
次に、制御部５１は、水燃料供給制御を行う。水燃料供給制御は、温度検出制御による温度の検出が行われた後に行われる。水燃料供給制御では、制御部５１は、水供給源としての水貯留部３２からの化学蓄熱器１４への水Ｗ１の供給を遮断するように、水供給側切換え部としての流量調整部２３に対して制御を行うと共に、改質器１２へ水Ｗ１を供給するように、水供給部としての流量調整部２２に対して制御を行い、改質器１２へ燃料ガスＧ１を供給するように、燃料供給部としての流量調整部２１に対して制御を行う。

具体的には、図４に示すように、制御部５１は、流量調整部２１及び流量調整部２２に対して、これらの弁が開くように、制御を行う。また、制御部５１は、流量調整部２３及び流量調整部２４に対して、これらの弁が閉じた状態が維持されるように、制御を行う（図６のステップＳ１５）。これにより、混合器１５により水蒸気とされた水Ｗ１と、燃料ガスＧ１とが混合され、改質器１２に供給される。そして、混合された水Ｗ１及び燃料ガスＧ１は、改質器１２により改質ガスＧ２に改質され、改質ガス供給ラインＬ３を通して燃料電池１１のアノードへ供給される。また、空気供給部３３からの空気Ａ１が、空気供給ラインＬ４を通して燃料電池１１のカソードへ供給される。

これにより、燃料電池１１において発電が行われる。そして、燃料電池１１からのアノードオフガスＧ３はアノードオフガスラインＬ５を介して燃焼器１３へ供給される。また、燃料電池１１からのカソードオフガスＧ４はカソードオフガスラインＬ６を介して燃焼器１３へ供給される。燃焼器１３では、アノードオフガスＧ３及びカソードオフガスＧ４が、触媒上で燃焼される。これにより、燃焼器１３において熱が発生する。

燃焼器１３における熱の発生により、化学蓄熱器１４の化学蓄熱剤としての水酸化カルシウムは、燃焼器１３からの熱供給による脱水反応により脱水され、酸化カルシウムを生成する。脱水された水は、高温のために水蒸気Ｗ２となり、蓄熱剤収容空間（図示せず）及び蒸気排気ラインＬ８の内部の空間により形成されている密閉空間内に充満する。そして、制御部５１の処理は、ステップＳ１６へ進む。

［排気制御処理］
次に、制御部５１は、排気制御を行う。排気制御は、水燃料供給制御の後に、水供給源としての水貯留部３２からの化学蓄熱器１４への水Ｗ１の供給を遮断するように、水供給側切換え部としての流量調整部２３に対して制御を行うと共に、化学蓄熱器１４から水蒸気Ｗ２を排気させるように、排気側切換え部としての流量調整部２４に対して制御を行う。

具体的には、図５に示すように、制御部５１は、流量調整部２１及び流量調整部２２に対して、これらの弁が開いた状態が維持されるように、制御を行う。また、制御部５１は、流量調整部２３に対して、弁が閉じた状態が維持されるように制御を行う。また、制御部５１は、流量調整部２４に対して、弁が開くように制御を行う（図６のステップＳ１６）。これにより、脱水反応により発生し密閉空間内に充満している水蒸気Ｗ２は、屋外へ排気される。以上の制御部５１による処理の後に、燃料電池１１において、安定して発電が行われる。

本実施形態の燃料電池システム１によれば、例えば、以下の効果が奏される。
本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池１１と、触媒上で燃料ガスＧ１と水Ｗ１とを反応させて、燃料電池１１に供給される改質ガスＧ２を生成する改質器１２と、燃料電池１１からのオフガスＧ３、Ｇ４を触媒上で燃焼する燃焼器１３と、改質器１２及び燃焼器１３との間で熱伝導可能に配置される化学蓄熱器１４であって、吸熱により脱水反応し、水和反応により発熱する化学蓄熱剤を収容する蓄熱剤収容空間を有する化学蓄熱器１４と、化学蓄熱器１４及び改質器１２へ水Ｗ１を供給可能な水供給部２２、２３、３２と、化学蓄熱器１４から水蒸気Ｗ２を排気可能な排気部２４と、改質器１２へ燃料ガスＧ１を供給可能な燃料供給部２１、３１と、水供給部による水Ｗ１の供給の制御を水供給部に対して行い、排気部による水蒸気Ｗ２の排気の制御を排気部２４に対して行い、燃料供給部２１、３１による燃料ガスＧ１の供給の制御を燃料供給部に対して行う制御部５１と、を備える。

水供給部は、水供給源としての水貯留部３２と、水貯留部３２からの水Ｗ１を化学蓄熱器１４に向けて流通する水和水供給ラインＬ２２と、水貯留部３２からの水Ｗ１の化学蓄熱器１４への流通／遮断を切換え可能な水供給側切換え部としての流量調整部２３とを有する。排気部は、化学蓄熱器１４からの水蒸気Ｗ２を排気する蒸気排気ラインＬ８と、化学蓄熱器１４からの水蒸気Ｗ２の排気／排気停止を切換え可能な排気側切換え部としての流量調整部２４とを有する。水貯留部３２からの化学蓄熱器１４への水Ｗ１の供給を遮断するように、流量調整部２３が切換えられ、且つ、化学蓄熱器１４からの水蒸気Ｗ２の排気が停止されるように、流量調整部２４が切換えられることにより、蓄熱剤収容空間、蒸気排気ラインＬ８及び水和水供給ラインＬ２２の内部の空間は、密閉空間を構成する。

制御部５１は、水供給制御と、水和反応制御と、温度検出制御と、水燃料供給制御と、排気制御と、を行う。水供給制御においては、燃料電池１１の起動時において改質器１２へ燃料を供給するように燃料供給部としての流量調整部２１に対して制御する前に、水和水供給ラインＬ２２を通して水供給源３２からの水Ｗ１を化学蓄熱器１４に向けて流通させるように、水供給側切換え部としての流量調整部２３に対して制御を行うと共に、化学蓄熱器１４からの水蒸気Ｗ２を排気可能な状態とするように、排気側切換え部としての流量調整部２４に対して制御を行う。水和反応制御においては、水和水供給ラインＬ２２を通して水供給源３２からの水Ｗ１が化学蓄熱器１４に向けて流通せず遮断されるように、水供給側切換え部としての流量調整部２３に対して制御を行うと共に、化学蓄熱器１４からの水蒸気Ｗ２が排気停止される状態となるようにして、密閉空間を形成するように、排気側切換え部としての流量調整部２４に対して制御を行う。

温度検出制御においては、改質器１２の触媒において燃料ガスＧ１と水Ｗ１とが反応可能な温度になったことを検出し、且つ、燃焼器１３の触媒においてオフガスを触媒上で燃焼可能な温度になったことを検出する。水燃料供給制御においては、温度検出制御による温度の検出が行われた後に、水供給源としての水供給源３２からの化学蓄熱器１４への水Ｗ１の供給を遮断するように、水供給側切換え部としての流量調整部２３に対して制御を行うと共に、改質器１２へ水Ｗ１を供給するように、水供給部としての流量調整部２２に対して制御を行い、改質器１２へ燃料を供給するように、燃料供給部としての流量調整部２１に対して制御を行う。排気制御においては、水燃料供給制御の後に、水供給源３２からの化学蓄熱器１４への水Ｗ１の供給を遮断するように、水供給側切換え部としての流量調整部２３に対して制御を行うと共に、化学蓄熱器１４から水蒸気Ｗ２を排気させるように、排気側切換え部としての流量調整部２４に対して制御を行う。

この構成により、燃料電池システム１の起動時に、化学蓄熱剤の水和反応による発熱により、改質器１２において燃料ガスＧ１を改質ガスＧ２へ改質可能な程度に、改質器１２を加熱することができ、且つ、燃焼器１３においてアノードオフガスＧ３及びカソードオフガスＧ４を燃焼可能な程度に、燃焼器１３を加熱することができる。従って、燃料電池システム１を、改質器１２及び燃焼器１３を加熱するためのバーナを有していない構成として、燃料電池システム１の起動時（スタートアップ時）に、改質器１２及び燃焼器１３を加熱することができる。この結果、燃料電池システム１を、より低コストで構成することができる。

また、蓄熱剤収容空間、蒸気排気ラインＬ８及び水和水供給ラインＬ２２の内部の空間は、密閉空間を構成するため、化学蓄熱剤が水和反応したときに、反応が進みすぎることを抑えることができる。従って、水和反応の後の脱水反応により、再び、水和反応可能な状態に再生できる程度に、水和反応を抑えることができる。

また、燃料電池システム１は、
排気ラインとしての蒸気排気ラインＬ８の内部の温度を検出可能な温度検出部４１を有する。この構成により、制御部５１は、温度検出部４１によって検出された温度に基づいて温度検出制御を行うことができる。

また、燃料電池システム１は、蒸気排気ラインＬ８の内部の圧力を検出可能な圧力検出部４２を有する。この構成により、制御部５１は、圧力検出部４２によって検出された圧力に基づいて温度検出制御を行うことができる。

また、燃料電池システム１は、水供給源３２から水Ｗ１を化学蓄熱器１４へ供給するように、水供給側切換え部としての流量調整部２３に対して制御を行った後に所定時間経過したことを検出可能なタイマー５２を有する。この構成により、制御部５１は、タイマー５２によって検出された時間に基づいて温度検出制御を行うことができる。

また、吸熱により脱水反応する化学蓄熱剤は、水酸化カルシウムであり、水和反応により発熱する化学蓄熱剤は、酸化カルシウムである。この構成により、容易に水和反応及び脱水反応を行うことができる。

次に、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１Ａについて図面を参照しながら説明する。図７は、本発明の第２実施形態による燃料電池システム１Ａを示す概略図である。
第２実施形態に係る燃料電池システム１Ａは、流量調整部２４に代えて、逆止弁２４Ａを有している点において、第１実施形態とは異なる。これ以外の構成については、第１実施形態の構成と同様であるため、同一の符号を付し、説明を省略する。

逆止弁２４Ａでは、蒸気排気ラインＬ８において化学蓄熱器１４寄りの側から屋外へ向かう方向には、水蒸気Ｗ２が流通可能であるが、その逆方向には気体は流通不能である。また、逆止弁２４Ａには、制御部５１は、電気的に接続されていない。この構成により、制御部５１による流量調整部２４（図１等）に対する制御を省くことができ、燃料電池システム１Ａの構成を簡単にすることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前述した実施形態に限定されることなく、請求の範囲から逸脱しない範囲内で、種々の変形が可能である。

例えば、上述の実施形態においては、化学蓄熱器１４の化学蓄熱剤に供給される水Ｗ１の量は、タイマー５２により検出されたが、タイマー５２に限定されない。例えば、水和水供給ラインＬ２２に流通する水Ｗ１の流量を測定する流量計により検出されてもよい。

また、燃料電池システムの各部の構成は、本実施形態の構成に限定されない。例えば、本実施形態では、改質器１２及び燃焼器１３の温度が３００℃以上になったことの検出を、温度センサ４１、圧力センサ４２、及び、タイマー５２により行ったが、これに限定されない。例えば、温度センサ４１、圧力センサ４２、及び、タイマー５２のうちの少なくとも１つにより検出を行ってもよく、これらとは別の手段により検出を行ってもよい。

温度検出部としての温度センサ４１は、蒸気排気ラインＬ８内の温度を計測可能に、蒸気排気ラインＬ８内に設置されたが、この構成に限定されない。同様に、圧力検出部としての圧力センサ４２は、蒸気排気ラインＬ８の内部の圧力を検出可能に、蒸気排気ラインＬ８内に設置されたが、この構成に限定されない。例えば、温度検出部としての温度センサ４１が蒸気排気ラインＬ８内に設置される代わりに、改質ガス供給ラインＬ３内、オフガス排気ラインＬ７内、水和水供給ラインＬ２２内の部分であって流量調整部２３よりも下流側の部分、燃料ガス供給ラインＬ１内の部分であって混合器１５よりも下流側の部分、のうちの少なくとも一つにおいてライン内の温度を計測可能な温度センサが、設置されていてもよい。

また、例えば、温度検出部としての温度センサ４１が蒸気排気ラインＬ８内に設置される代わりに、改質器１２内、燃焼器１３内、化学蓄熱器１４内、混合器１５内のうちの少なくとも一つにおいて温度を計測可能な温度センサが、設置されていてもよい。同様に、圧力検出部としての圧力センサ４２が蒸気排気ラインＬ８内に設置される代わりに、改質器１２内、燃焼器１３内、化学蓄熱器１４内、混合器１５内のうちの少なくとも一つにおいて圧力を計測可能な圧力センサが、設置されていてもよい。

燃焼器１３は、燃料電池１１から排気されるアノードオフガスＧ３及びカソードオフガスＧ４を燃焼処理したが、これに限定されない。例えば、燃焼器１３においては、アノードオフガスＧ３のみを燃焼処理してもよい。この場合には、カソードオフガスＧ４は、燃焼されずにそのまま屋外に排出されてもよい。このように、カソードオフガスＧ４が燃焼されない場合には、例えば、空気供給ラインＬ４から分岐された燃焼器１３へのラインにより空気を燃焼器１３へ供給したり、大気から燃焼器１３へ空気を供給したりすればよい。

１，１Ａ 燃料電池システム
１１ 燃料電池
１２ 改質器
１３ 燃焼器
１４ 化学蓄熱器
２１ 流量調整部（燃料供給部）
２２ 流量調整部（水供給部）
２３ 流量調整部（水供給側切換え部、水供給部）
２４，２４Ａ 流量調整部（排気側切換え部、排気部）
３１ 燃料ガス供給部（燃料供給部）
３２ 水貯留部（水供給部、水供給源）
４１ 温度センサ（温度検出部）
４２ 圧力センサ（圧力検出部）
５１ 制御部
Ｌ８ 蒸気排気ライン（排気ライン、排気部）
Ｌ２２ 水和水供給ライン
Ｇ１ 燃料ガス（燃料）
Ｗ１ 水（改質水）
Ｗ２ 水蒸気

Claims (5)

1. 燃料電池と、
   触媒上で燃料と水とを反応させて、前記燃料電池に供給される改質ガスを生成する改質器と、
   前記燃料電池からのオフガスを触媒上で燃焼する燃焼器と、
   前記改質器及び前記燃焼器との間で熱伝導可能に配置される化学蓄熱器であって、吸熱により脱水反応し、水和反応により発熱する化学蓄熱剤を収容する蓄熱剤収容空間を有する化学蓄熱器と、
   前記化学蓄熱器及び前記改質器へ水を供給可能な水供給部と、
   前記化学蓄熱器から水蒸気を排気可能な排気部と、
   前記改質器へ燃料を供給可能な燃料供給部と、
   前記水供給部による水の供給の制御を前記水供給部に対して行い、前記排気部による水蒸気の排気の制御を前記排気部に対して行い、前記燃料供給部による燃料の供給の制御を前記燃料供給部に対して行う制御部と、を備え、
   前記水供給部は、水供給源と、前記水供給源からの水を前記化学蓄熱器に向けて流通する水和水供給ラインと、前記水供給源からの水の前記化学蓄熱器への流通／遮断を切換え可能な水供給側切換え部とを有し、
   前記排気部は、前記化学蓄熱器からの水蒸気を排気する排気ラインと、前記化学蓄熱器からの水蒸気の排気／排気停止を切換え可能な排気側切換え部とを有し、
   前記水供給源からの前記化学蓄熱器への水の供給を遮断するように、前記水供給側切換え部が切換えられ、且つ、前記化学蓄熱器からの水蒸気の排気が停止されるように、前記排気側切換え部が切換えられることにより、前記蓄熱剤収容空間、前記排気ライン、及び前記水和水供給ラインの内部の空間は、密閉空間を構成し、
   前記制御部は、
   前記燃料電池の起動時において前記改質器へ燃料を供給するように前記燃料供給部に対して制御する前に、前記水和水供給ラインを通して前記水供給源からの水を前記化学蓄熱器に向けて流通させるように、前記水供給側切換え部に対して制御を行うと共に、前記化学蓄熱器からの水蒸気を排気可能な状態とする水供給制御と、
   前記水和水供給ラインを通して前記水供給源からの水が前記化学蓄熱器に向けて流通せず遮断されるように、前記水供給側切換え部に対して制御を行うと共に、前記化学蓄熱器からの水蒸気が排気停止される状態となるようにして、前記密閉空間を形成する水和反応制御と、
   前記改質器の前記触媒において燃料と水とが反応可能な温度になったことを検出し、且つ、前記燃焼器の前記触媒においてオフガスを触媒上で燃焼可能な温度になったことを検出する温度検出制御と、
   前記温度検出制御による温度の検出が行われた後に、前記水供給源からの前記化学蓄熱器への水の供給を遮断するように、前記水供給側切換え部に対して制御を行うと共に、前記改質器へ水を供給するように、前記水供給部に対して制御を行い、前記改質器へ燃料を供給するように、前記燃料供給部に対して制御を行う水燃料供給制御と、
   前記水燃料供給制御の後に、前記水供給源からの前記化学蓄熱器への水の供給を遮断するように、前記水供給側切換え部に対して制御を行うと共に、前記化学蓄熱器から水蒸気を排気させる排気制御と、
   を行う燃料電池システム。
2. 前記排気ラインの内部の温度を検出可能な温度検出部を有し、
   前記制御部は、前記温度検出部によって検出された温度に基づいて前記温度検出制御を行う請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記排気ラインの内部の圧力を検出可能な圧力検出部を有し、
   前記制御部は、前記圧力検出部によって検出された圧力に基づいて前記温度検出制御を行う請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記水供給源から水を前記化学蓄熱器へ供給するように、前記水供給側切換え部に対して制御を行った後に所定時間経過したことを検出可能なタイマーを有し、
   前記制御部は、前記タイマーによって検出された時間に基づいて前記温度検出制御を行う請求項１〜請求項３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 吸熱により脱水反応する化学蓄熱剤は、水酸化カルシウムであり、水和反応により発熱する化学蓄熱剤は、酸化カルシウムである請求項１〜請求項４のいずれかに記載の燃料電池システム。

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